JP5036282B2 - IMAGING DEVICE, FOCUS ADJUSTMENT METHOD FOR IMAGING DEVICE, AND ENDOSCOPE DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、被検体を観察するための撮像装置、及び、該撮像装置のフォーカス調整方法、並びに、該撮像装置を備えた内視鏡装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus for observing a subject, a focus adjustment method for the imaging apparatus, and an endoscope apparatus including the imaging apparatus.
内視鏡装置の挿入部には、撮像装置が組み込まれていて、この撮像装置によって、挿入部の先端側において前方あるいは側方に位置する被検体を観察することが可能である。このような撮像装置にはオートフォーカス機能が備えられていて、この機能によって、被検体との距離が変化しても被検体を好適に観察することが可能となる。撮像装置のオートフォーカス機能を付与する具体的構成としては、例えば、撮像素子と、該撮像素子を対物レンズの光軸方向に移動させる可動部材と、該撮像素子を対物レンズの光軸方向に10kHz程度の周波数で振動させるピエゾ素子と、撮像素子から出力される映像信号の内、ピエゾ素子の周波数と同じ周波数成分を抽出する抽出手段とを備えた撮像装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この撮像装置によれば、撮像素子がフォーカス位置に位置している場合には、抽出手段によって上記周波数成分の映像信号が検出されなくなる。このため、抽出手段によって上記映像信号が検出された場合には、検出されなくなるような位置に可動部材によって撮像素子を移動させることで、撮像素子をフォーカス位置に配置して、常にフォーカスの合った画像を出力することができるとされている。
しかしながら、特許文献1の撮像装置によれば、撮像素子はピエゾ素子によって常に10kHz程度の周波数で対物レンズの光軸方向に振動し、すなわち、撮像素子と対物レンズとの相対的な位置関係は、常に上記周波数と、所定の振幅とで変動していることとなる。このため、撮像素子に結像する光学像のフォーカスは、撮像素子の振動に応じて変化し、結果として、撮像素子によって連続して画像を取得することで得られる映像の解像度は低下してしまう問題があった。また、抽出手段によって検出された結果に基づいて、ピエゾ素子の振動と同じ周波数成分の映像信号が検出されないように、常に撮像素子の位置を移動、すなわちフォーカシングしているため、画像が常に変化し、結果として、観察者にとって見にくい画像となってしまっていた。この対策として、撮像装置に備えられたオートフォーカス機能をスイッチによってON/OFF切り替え可能にすることも考えられるが、オートフォーカス機能の有無を手動で切り替えることは、本来の目的を逸し、余計な操作が増えて、観察作業が煩雑なものとなってしまう。
However, according to the imaging device of
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、通常は、フォーカスを略一定の状態として画像を出力する一方、被検体を観察する場合には、出力される画像のフォーカスが最適となるように調整して、高解像度の画像で被検体を観察することが可能な撮像装置、及び、撮像装置のフォーカス調整方法、並びに、撮像装置を備えた内視鏡装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances. Normally, an image is output with a substantially constant focus. On the other hand, when observing a subject, the output image is optimally focused. An imaging apparatus capable of observing a subject with a high-resolution image, a focus adjustment method for the imaging apparatus, and an endoscope apparatus including the imaging apparatus are provided. is there.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の撮像装置は、対物レンズと、該対物レンズの光軸と同軸上に配設され、該対物レンズで集光された入射光を受光して画像を繰り返し取得する撮像素子と、該撮像素子を、前記対物レンズの前記光軸上で移動させる撮像素子移動手段と、前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、該画像が前後で変化していない場合には、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置をフォーカス位置となるように調整させる制御ユニットと、前記撮像素子で取得される前記画像内の一部の範囲としてフォーカスエリアを予め設定し、前記画像内で前記フォーカスエリアの中心位置を調整可能な操作部と、を備え、前記制御ユニットは、前記画像のコントラスト値を検出するコントラスト値検出手段と、該コントラスト値検出手段で検出される前記画像の前記コントラスト値が最大となる位置に、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を調整させ、前記フォーカスエリア内での前記コントラスト値に基づいて前記撮像素子の位置を調整する制御部と、を備え、前記制御ユニットの前記制御部は、前記操作部によって前記フォーカスエリアが指定された場合、前記コントラスト値が最大となった時の前記撮像素子の位置及び前記画像上における前記フォーカスエリアの前記中心位置を計測して、計測された前記撮像素子の位置及び前記画面上における前記フォーカスエリアの前記中心位置に基づいて、該フォーカスエリアの前記中心位置として指定された実際の三次元座標を算出可能であり、前記制御ユニットは、今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により今回取得された前記画像の前回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、該画像が前後で変化していない場合には、さらに、前回取得された前記画像と前々回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により前回取得された前記画像の前々回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、前々回の該画像との比較では該画像が変化している場合に、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を前記フォーカス位置となるように調整させることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
An imaging apparatus according to the present invention includes an objective lens, an imaging element that is arranged coaxially with the optical axis of the objective lens, receives incident light collected by the objective lens, and repeatedly acquires images, and the imaging device The image sensor moving means for moving the element on the optical axis of the objective lens is compared with the image acquired this time with the image sensor and the image acquired last time. If not, a control unit that adjusts the position of the image sensor to the focus position by the image sensor moving means, and a focus area as a partial range in the image acquired by the image sensor in advance. set, and an adjustable operating section the position of the center of the focus area within the image, wherein the control unit includes a contrast value detecting means for detecting a contrast value of the image, the The position of the imaging element is adjusted by the imaging element moving means to a position where the contrast value of the image detected by the contrast value detecting means is maximized, and the imaging is performed based on the contrast value in the focus area. A control unit that adjusts the position of the element, and the control unit of the control unit has a position of the imaging element when the contrast value is maximized when the focus area is designated by the operation unit. And measuring the center position of the focus area on the image and designating it as the center position of the focus area based on the measured position of the image sensor and the center position of the focus area on the screen The calculated actual three-dimensional coordinates can be calculated, and the control unit The image is compared with the previously acquired image, and the presence or absence of a change from the previously acquired image of the image acquired this time is determined by the luminance signal in each image. If not, the image acquired last time is compared with the image acquired last time, and the presence or absence of a change from the image acquired last time according to the luminance signal in each image from the image acquired last time And when the image has changed in comparison with the previous image, the image pickup device moving means adjusts the position of the image pickup device to be the focus position . .
また、本発明は、対物レンズと、該対物レンズの光軸と同軸上で進退可能に配設され、該対物レンズで集光された入射光を受光して画像を繰り返し取得する撮像素子とを備える撮像装置のフォーカス調整方法であって、前記撮像素子で取得される前記画像の内の一部の範囲として予めフォーカスエリアを設定し、前記フォーカスエリアの中心位置を前記画像内で調整し、前記撮像素子で取得される前記画像の、前記フォーカスエリア内でのコントラスト値を検出し、前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較し、各画像における輝度信号により今回取得された前記画像の前回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、該画像が前後で変化していない場合に、前記撮像素子を前記対物レンズの前記光軸上で移動させて、前記撮像素子の位置をフォーカス位置となるように調整し、前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、該画像が前後で変化していない場合には、さらに、前回取得された前記画像と前々回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により前回取得された前記画像の前々回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、前々回の該画像との比較では該画像が変化している場合に、前記フォーカスエリア内での前記コントラスト値に基づいて前記コントラスト値が最大となる位置を計測して、計測された前記撮像素子の位置及び前記画面上における前記フォーカスエリアの前記中心位置に基づいて、該フォーカスエリアの前記中心位置として指定された実際の三次元座標を算出し、前記撮像素子の位置を前記フォーカス位置となるように調整することにより、前記撮像素子の位置を調整することを特徴としている。 The present invention also includes an objective lens, and an imaging device that is arranged so as to be movable back and forth on the same axis as the optical axis of the objective lens, and that receives incident light collected by the objective lens and repeatedly acquires images. A focus adjustment method of an imaging apparatus comprising: a focus area is set in advance as a partial range of the image acquired by the imaging device; a center position of the focus area is adjusted in the image; A contrast value in the focus area of the image acquired by the image sensor is detected, the image acquired this time by the image sensor and the image acquired last time are compared, and a luminance signal in each image is used. determine the presence or absence of a change from the image obtained in the previous time this time the acquired image, if the image is not changed before and after, on the optical axis of the image pickup element and said objective lens So moved, adjusted to focus position a position of the imaging element, wherein by comparing the currently obtained the image and the image obtained in the previous time by the image pickup device, the image is not changed before and after If not, the image acquired last time is compared with the image acquired last time, and the presence or absence of a change from the image acquired last time according to the luminance signal in each image from the image acquired last time When the image has changed in comparison with the previous image, the position where the contrast value is maximized is measured based on the contrast value in the focus area. Actual three-dimensional coordinates designated as the center position of the focus area based on the position of the image sensor and the center position of the focus area on the screen Calculated, by adjusting the position of the imaging element so that the focus position, and wherein adjusting the position of the imaging element.
この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、制御ユニットによって、撮像素子移動手段を駆動させることで、撮像素子の位置を対物レンズの光軸上で移動させて、取得される画像のフォーカスを調整することができる。ここで、制御ユニットは、撮像素子の位置を調整するか否かについて、繰り返し取得される画像が、今回と前回とで変化しているか否かによって判断している。すなわち、観察したい被検体を探すため、あるいは、観察したい被検体との距離を調整するためなどで、被検体に対して対物レンズの相対的位置が変化している場合には、繰り返し取得される画像は前後で変化していて、制御ユニットは、この画像の変化に基づいて撮像素子の位置の調整を行わない。このため、観察者は、フォーカスが最適な状態とはなっていないものの、安定した状態で連続して映し出される画像をもとに、好適に観察したい被検体を探し、あるいは、対物レンズと被検体との距離を調整することができる。 According to the image pickup apparatus and the focus adjustment method of the image pickup apparatus according to the present invention, the position of the image pickup element is moved on the optical axis of the objective lens by driving the image pickup element moving unit by the control unit. The focus of the image can be adjusted. Here, the control unit determines whether or not to adjust the position of the image sensor based on whether or not the repeatedly acquired image has changed between the current time and the previous time. That is, when the relative position of the objective lens is changed with respect to the subject, for example, to search for the subject to be observed or to adjust the distance from the subject to be observed, the information is repeatedly acquired. The image changes before and after, and the control unit does not adjust the position of the image sensor based on the change in the image. For this reason, the observer searches for a subject to be suitably observed based on images continuously projected in a stable state although the focus is not in an optimal state, or the objective lens and the subject. And the distance can be adjusted.
一方、観察したい被検体が確認できた場合には、観察者は対物レンズを静止させることとなり、被検体に対する対物レンズの相対的位置は一定となる。この場合、繰り返し取得される画像は前後で変化せず、制御ユニットは、この画像の変化が無いことに基づいて撮像素子の位置をフォーカス位置となるように調整して、フォーカスが最適な状態となるようにすることができる。そして、被検体に対する対物レンズの相対的位置が変化しない限り、撮像素子の位置が変動してしまうことが無いので、観察者は、高解像度の画像で、好適に被検体を観察することができる。 On the other hand, when the subject to be observed can be confirmed, the observer stops the objective lens, and the relative position of the objective lens with respect to the subject is constant. In this case, the repeatedly acquired image does not change before and after, and the control unit adjusts the position of the image sensor to the focus position based on the fact that there is no change in the image, so that the focus is in the optimum state. Can be. Since the position of the image sensor does not fluctuate unless the relative position of the objective lens with respect to the subject changes, the observer can preferably observe the subject with a high-resolution image. .
さらに、この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、制御ユニットのコントラスト値検出手段によって、撮像素子で取得される画像のコントラスト値を検出することができる。ここで、被検体に対する対物レンズの相対的位置を一定とした場合、取得される画像のコントラスト値は、フォーカスが最適な状態となったときに最大となる。すなわち、制御ユニットの制御部によって撮像素子の位置をコントラスト値が最大となるように調整することで、撮像素子はフォーカス位置となり、フォーカスを最適な状態として画像を取得して、被検体を観察することができる。 Furthermore, according to the imaging apparatus and the focus adjustment method of the imaging apparatus according to the present invention, the contrast value detection unit of the control unit can detect the contrast value of the image acquired by the imaging element. Here, when the relative position of the objective lens with respect to the subject is constant, the contrast value of the acquired image becomes maximum when the focus is in an optimum state. That is, by adjusting the position of the image sensor so that the contrast value is maximized by the control unit of the control unit, the image sensor becomes the focus position, and an image is acquired with the focus in an optimum state to observe the subject. be able to.
さらに、この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、フォーカスが最適な状態であるか否かについて、取得される画像の内で、限られた範囲であるフォーカスエリア内のコントラスト値で評価することができる。このため、画像内で、特にフォーカスエリア内に映し出される被検体にフォーカスを合わせることができ、フォーカスエリア内の被検体を好適に観察することができる。 Furthermore, according to the imaging apparatus and the focus adjustment method of the imaging apparatus according to the present invention, the contrast in the focus area that is a limited range in the acquired image as to whether or not the focus is in an optimum state. Can be evaluated by value. For this reason, it is possible to focus on the subject displayed in the focus area in the image, and it is possible to preferably observe the subject in the focus area.
さらに、この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、操作部によってフォーカスエリアの中心位置を、画像として表示される被検体の内の特に観察したい位置に調整することができる。このため、特に指定したフォーカスエリア内の被検体を好適に観察することができる。 Furthermore, according to the imaging apparatus and the focus adjustment method of the imaging apparatus according to the present invention, the center position of the focus area can be adjusted to the position that is particularly desired to be observed in the subject displayed as an image by the operation unit. For this reason, it is possible to preferably observe the subject in the designated focus area.
さらに、この発明に係る撮像装置によれば、制御ユニットの制御部は、撮像素子の位置と、画像上におけるフォーカスエリアの中心位置を計測することができる。ここで、フォーカスエリア内においてフォーカスが合った状態である場合、撮像素子の位置及び画像上におけるフォーカスエリアの中心位置と、フォーカスエリアの中心位置として指定された実際の三次元座標とは、相関関係にある。このため、計測された撮像素子の位置、及び、画像上におけるフォーカスエリアの中心位置から、フォーカスエリアの中心位置の三次元座標を算出することができ、すなわち、フォーカスエリアの中心位置に映し出されている被検体上の特定部分の位置を測定することができる。 Furthermore, according to the imaging apparatus according to the present invention, the control unit of the control unit can measure the position of the imaging element and the center position of the focus area on the image. Here, when the focus is in the focus area, the position of the image sensor and the center position of the focus area on the image and the actual three-dimensional coordinates specified as the center position of the focus area are correlated. It is in. For this reason, the three-dimensional coordinates of the center position of the focus area can be calculated from the measured position of the image sensor and the center position of the focus area on the image, that is, the image is displayed at the center position of the focus area. The position of a specific part on the subject can be measured.
この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、制御ユニットは、繰り返し取得される画像が今回と前回とで変化していない場合はさらに、前回と前々回に取得された画像についても比較を行う。そして、前回の画像が前々回の画像と比較して変化している場合に撮像素子の位置の調整を行う。すなわち、被検体に対する対物レンズの相対的位置が変化していて、直前に相対的に静止した場合には、フォーカスが最適な状態となるように調整する一方、相対的に静止した状態が続いている場合には、不必要に撮像素子の位置を変化させてしまうことがなく、観察者は、より安定した画像によって被検体を観察することができる。 According to the imaging apparatus and the focus adjustment method of the imaging apparatus according to the present invention, the control unit can also perform the processing for the images acquired in the previous time and the previous time, when the repeatedly acquired images have not changed between the current time and the previous time. Make a comparison. Then, the position of the image sensor is adjusted when the previous image changes compared to the previous image. That is, when the relative position of the objective lens with respect to the subject has changed and is relatively stationary immediately before, the focus is adjusted to be in an optimum state, while the relatively stationary state continues. In this case, the position of the image sensor is not unnecessarily changed, and the observer can observe the subject with a more stable image.
また、上記の撮像装置において、前記制御ユニットは、前記画像の輝度を検出する輝度検出手段と、該輝度検出手段で検出される前記画像の前記輝度に相関性を有するかどうかに基づいて前記画像の変化の有無を判断して、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を調整する制御部とを備えることがより好ましいとされている。 In the imaging apparatus, the control unit may detect the image based on luminance detection means for detecting the luminance of the image and whether the luminance of the image detected by the luminance detection means is correlated. It is more preferable to include a control unit that determines the presence or absence of the change and adjusts the position of the image sensor by the image sensor moving means.
また、上記の撮像装置のフォーカス調整において、前記撮像素子で繰り返し取得される各前記画像の輝度を検出し、前記画像の前記輝度に相関性を有するかどうかに基づいて前記画像の変化の有無を判断して、前記撮像素子の位置を調整することがより好ましいとされている。 Further, in the focus adjustment of the imaging apparatus, the brightness of each image repeatedly acquired by the imaging device is detected, and whether or not the image has changed is determined based on whether or not the brightness of the image has a correlation. It is preferable to judge and adjust the position of the image sensor.
この発明に係る撮像装置及び撮像装置のフォーカス調整方法によれば、制御ユニットの輝度検出手段によって、撮像素子で取得される画像の輝度を検出することができる。ここで、被検体に対する対物レンズの相対的位置が変化すれば、取得される画像が変化することで、検出される輝度にも変化が生じる。このため、制御ユニットの制御部は、この輝度の相関性の有無に基づいて画像の変化の有無を定量的に判断して、撮像素子の位置の調整を開始することができる。 According to the imaging apparatus and the focus adjustment method of the imaging apparatus according to the present invention, the luminance of the image acquired by the imaging element can be detected by the luminance detection unit of the control unit. Here, if the relative position of the objective lens with respect to the subject changes, the detected image changes, and the detected luminance also changes. Therefore, the control unit of the control unit can quantitatively determine the presence / absence of an image change based on the presence / absence of the luminance correlation, and can start the adjustment of the position of the image sensor.
さらに、上記の撮像装置において、前記制御ユニットの前記制御部は、前記撮像素子の位置の前記対物レンズの主点からの離間距離L、及び、前記フォーカスエリアの前記中心位置の該画像の中心位置を原点とした前記画像上における二次元座標Mx、Myを計測して、前記対物レンズの前記主点を原点とする指定された前記フォーカスエリアの前記中心位置の前記三次元座標X、Y、Zを、<数1>、<数2>、及び、<数3>に示す計算式(但し、符号fは前記対物レンズの焦点距離)から算出可能であることがより好ましいとされている。
Furthermore, in the above-described imaging device, the control unit of the control unit is configured such that the distance L from the principal point of the objective lens at the position of the imaging element and the center position of the image at the center position of the focus area The two-dimensional coordinates Mx, My on the image with the origin as the origin are measured, and the three-dimensional coordinates X, Y, Z at the center position of the designated focus area with the principal point of the objective lens as the origin Is more preferably calculated from the formulas shown in <
この発明に係る撮像装置によれば、上記の<数1>、<数2>、及び、<数3>によって、フォーカスエリアの中心位置に映し出されている被検体上の特定部分の位置を測定することができる。
According to the imaging apparatus according to the present invention, the position of a specific portion on the subject displayed at the center position of the focus area is measured by the above <
また、上記の撮像装置において、前記操作部は、前記撮像素子で取得される前記画像内で、前記フォーカスエリアの前記中心位置を複数指定可能であり、前記制御ユニットの前記制御部は、算出された各前記フォーカスエリアの前記中心位置の前記三次元座標に基づいて、各該フォーカスエリアの前記中心位置の間の実際の点間距離を算出可能であることがより好ましいとされている。 In the imaging apparatus, the operation unit can specify a plurality of the center positions of the focus area in the image acquired by the imaging device, and the control unit of the control unit is calculated. Further, it is more preferable that an actual point-to-point distance between the center positions of the focus areas can be calculated based on the three-dimensional coordinates of the center positions of the focus areas.
この発明に係る撮像装置によれば、操作部によって複数のフォーカスエリアの中心位置を指定可能であることで、指定された複数のフォーカスエリアの各々について中心位置の実際の三次元座標を算出することができる。このため、画像に映し出される被検体で、フォーカスエリアの中心位置として任意に指定された複数点間の実距離を測定することができる。 According to the imaging apparatus of the present invention, the center position of the plurality of focus areas can be designated by the operation unit, and the actual three-dimensional coordinates of the center position are calculated for each of the designated plurality of focus areas. Can do. Therefore, the actual distance between a plurality of points arbitrarily designated as the center position of the focus area can be measured on the subject displayed in the image.
また、上記の撮像装置において、前記撮像素子移動手段は、前記対物レンズの前記光軸と同軸上で進退可能に設けられ、先端に前記撮像素子が配設された軸体と、該軸体の基端側外周に配設された筒体とを備え、前記軸体と前記筒体とのいずれか一方が前記対物レンズの前記光軸と略平行な磁界を形成する永久磁石であるとともに、前記軸体と前記筒体との他方が前記対物レンズの前記光軸と略平行な磁界を形成可能な電磁石であることがより好ましいとされている。 In the above imaging apparatus, the imaging element moving means is provided so as to be able to advance and retreat on the same axis as the optical axis of the objective lens, and a shaft body in which the imaging element is disposed at a tip, and the shaft body A cylindrical body disposed on the outer periphery of the proximal end, and either one of the shaft body and the cylindrical body is a permanent magnet that forms a magnetic field substantially parallel to the optical axis of the objective lens, and More preferably, the other of the shaft body and the cylindrical body is an electromagnet capable of forming a magnetic field substantially parallel to the optical axis of the objective lens.
この発明に係る撮像装置によれば、軸体と筒体との一方を永久磁石とし、他方を電磁石として、電磁石に交流電圧を印加した場合には、電磁石には、絶対値の等しい電圧が正負交互に対称に印加されるため、軸体の基端が筒体の内部において中間位置に位置するようにして軸体は静止する。また、交流電圧に、正の値の直流電圧を重畳的に印加した場合には、電磁石には、正負で絶対値の異なる電圧が交互に非対称に印加されるため、永久磁石の磁界の向きと直流電圧の大きさに応じて、軸体の基端は、筒体の中間位置よりも一方に偏った位置に移動する。また、交流電圧に、負の値の直流電圧を重畳的に印加した場合には、軸体の基端は、逆に、筒体の中間位置よりも他方に偏った位置に移動する。すなわち、撮像素子移動手段の電磁石に、交流電圧とともに重畳的に印加される直流電圧の大きさを変化させることで、軸体の先端の配設された撮像素子の位置を、対物レンズの光軸上で調整することができる。 According to the imaging device of the present invention, when an AC voltage is applied to the electromagnet with one of the shaft body and the cylindrical body as a permanent magnet and the other as an electromagnet, a voltage having an equal absolute value is applied to the electromagnet. Since they are alternately applied symmetrically, the shaft body is stationary so that the base end of the shaft body is located at an intermediate position inside the cylinder. In addition, when a positive DC voltage is applied to the AC voltage in a superimposed manner, positive and negative voltages with different absolute values are alternately applied to the electromagnet in an asymmetrical manner. In accordance with the magnitude of the DC voltage, the base end of the shaft body moves to a position biased to one side rather than the intermediate position of the cylinder body. In addition, when a negative DC voltage is applied to the AC voltage in a superimposed manner, the base end of the shaft body moves to a position that is biased to the other side of the intermediate position of the cylinder. That is, by changing the magnitude of the DC voltage applied to the electromagnet of the image sensor moving means in a superimposed manner together with the AC voltage, the position of the image sensor disposed at the tip of the shaft body is changed to the optical axis of the objective lens. Can be adjusted above.
さらに、上記の撮像装置において、前記制御ユニットは、前記電磁石に、交流電圧と、大きさを可変とする直流電圧とを重畳的に印加可能な電圧印加手段を備えることがより好ましいとされている。 Furthermore, in the above-described imaging device, it is more preferable that the control unit includes a voltage applying unit capable of applying an alternating voltage and a direct-current voltage whose magnitude is variable to the electromagnet in a superimposed manner. .
この発明に係る撮像装置によれば、制御ユニットの電圧印加手段によって撮像素子移動手段の電磁石に交流電圧とともに重畳的に印加される直流電圧の大きさを変化させることで、撮像素子移動手段の軸体の先端の配設された撮像素子の位置を、対物レンズの光軸上で調整することができる。 According to the imaging apparatus of the present invention, the voltage application means of the control unit changes the magnitude of the DC voltage applied in a superimposed manner together with the AC voltage to the electromagnet of the imaging element moving means, thereby changing the axis of the imaging element moving means. The position of the image sensor provided at the tip of the body can be adjusted on the optical axis of the objective lens.
また、本発明の内視鏡装置は、上記の撮像装置と、先端側に該撮像装置の前記対物レンズが設けられ、被検体に挿入可能な挿入部とを備えることを特徴としている。
この発明に係る内視鏡装置によれば、挿入部を被検体の内部に挿入させていく場合には、撮像装置の制御ユニットによって、フォーカスは最適な状態とはならないものの安定した状態とすることができる。このため、取得される画像によって被検体を好適に確認しながら、観察する位置まで挿入部を挿入させていくことができる。一方、挿入部の挿入を静止して被検体の観察を行う場合には、撮像装置の制御ユニットが撮像素子の位置を調整して、フォーカスを最適な状態にすることができ、取得される高解像度の画像によって、好適に被検体を観察することができる。
In addition, an endoscope apparatus according to the present invention includes the above-described imaging device, and an insertion portion in which the objective lens of the imaging device is provided on a distal end side and can be inserted into a subject.
According to the endoscope apparatus according to the present invention, when the insertion portion is inserted into the subject, the focus is not optimized but is stabilized by the control unit of the imaging apparatus. Can do. For this reason, it is possible to insert the insertion portion to the observation position while suitably confirming the subject by the acquired image. On the other hand, when observing the subject with the insertion portion inserted stationary, the control unit of the imaging apparatus can adjust the position of the imaging device to achieve the optimum focus, and the acquired high The subject can be preferably observed by the resolution image.
本発明の撮像装置によれば、撮像素子移動手段と制御ユニットとを備えることで、通常は、フォーカスを略一定の状態として画像を出力する一方、被検体を観察する場合には、出力される画像のフォーカスが最適な状態となるように自動的に調整して、高解像度の画像で被検体を観察することができる。
また、本発明の撮像装置のフォーカス調整方法によれば、通常は、フォーカスを略一定の状態として画像を映し出し、被検体を観察する時に、画像のフォーカスが最適な状態となるように調整して、高解像度の画像で被検体を観察することができる。
また、本発明の内視鏡装置によれば、上記の撮像装置を備えることで、被検体の内部に挿入し、好適に被検体の観察を行うことができる。
According to the image pickup apparatus of the present invention, the image pickup device moving means and the control unit are provided, so that the image is normally output with the focus being in a substantially constant state, while being output when the subject is observed. The subject can be observed with a high-resolution image by automatically adjusting the focus of the image to an optimum state.
In addition, according to the focus adjustment method of the imaging apparatus of the present invention, the image is usually projected with the focus substantially constant, and the image is adjusted so that the focus of the image is optimal when the subject is observed. The object can be observed with a high-resolution image.
In addition, according to the endoscope apparatus of the present invention, by including the above-described imaging apparatus, it can be inserted into the subject and the subject can be preferably observed.
以下、本発明の実施形態における内視鏡装置について、図面を参照して説明する。図1〜図5は、本発明の実施形態としての内視鏡装置1を示したものである。図1に示すように、内視鏡装置1は、被検体を観察するために狭窄部などに挿入される挿入部2と、挿入部2の基端に設けられた操作部3と、挿入部2の先端側に位置する被検体を撮影する撮像装置10とを備える。挿入部2は、先端側から基端側へ順に、硬質の先端部4と、湾曲自在な湾曲部5と、可撓性を有する可撓管部6とを備える。可撓管部6は、狭窄部などに挿入した際に、その形状に応じて湾曲することが可能であり、これにより観察しようとする被検体まで容易に挿入することを可能としている。また、操作部3、可撓管部6、及び、湾曲部5の内部には、図示しない湾曲機構が内蔵されており、操作部3に設けられたツマミ3aの操作によって、湾曲部5を自在に湾曲させることが可能である。
Hereinafter, an endoscope apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 show an
図2から図4に示すように、撮像装置10は、挿入部2の先端部4の先端面に設けられた対物レンズ11及び照明手段であるLED12と、先端部4の内部において対物レンズ11の光軸L11と同軸上に配設された撮像素子13と、撮像素子13で取得した画像を出力するモニタ14と、制御ユニット15とを備える。制御ユニット15は、各種制御を行うものであり、図1に示すように、ケーブル15aによって操作部3と接続されている。なお、制御ユニット15の詳細については、後述する。また、撮像素子13は、例えばCCDであり、LED12によって被検体を照明し、反射して対物レンズ11で集光された入射光を受光面13aで受光して、映像信号となる光電変換出力POを制御ユニット15に出力可能なものである。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
また、撮像装置10は、撮像素子13を対物レンズ11の光軸L11上で移動させる撮像素子移動手段16を備えている。撮像素子移動手段16は、より詳しくは、図4及び図5に示すように、先端部4の内部において、光軸L11と同軸上に配設された軸体17と、軸体17の基端17a側外周を覆う筒体18とを備えている。軸体17の先端17bには、固定板19が固定されていて、その先端面19aに撮像素子13が固定されている。先端部4の内周面において固定板19と対応する位置には、光軸L11と略平行にガイド20が延設されていて、固定板19を進退可能に固定している。このため、軸体17及び撮像素子13は、ガイド20によって、光軸L11上で進退することが可能である。また、軸体17の外周面には、コイル21が巻き回されていて、電流を供給することで、光軸L11方向に磁界を発生させる電磁石となることが可能である。一方、筒体18は、光軸L11方向に磁界を発生させることが可能な永久磁石であり、例えば、先端18aをN極、基端18bをS極として、先端部4の内周面に固定されている。そして、後述する制御ユニット15の電磁石駆動回路27によってコイル21に所定の電圧を印加することで、電磁石となる軸体17の磁界と永久磁石である筒体18の磁界との相互作用によって、軸体17を光軸L11に沿った所定位置に移動させることが可能であり、これにより撮像素子13の光軸L11上での位置を調整可能である。次に、制御ユニット15について説明する。
Further, the
図2に示すように、制御ユニット15は、制御部であるCPU22と、電源回路23と、撮像素子駆動回路24と、映像信号処理回路25と、コントラスト値検出手段26と、電圧印加手段である電磁石駆動回路27と、ROM28と、RAM29とを備える。以下に各構成の詳細について説明する。電源回路23は、LED12に給電してLED12を発光させることが可能であるとともに、制御ユニット15の他の各構成部分にも電力を供給し、駆動させるものである。撮像素子駆動回路24は、撮像素子13が駆動するのに必要とする駆動信号DSを出力し、撮像素子13を駆動させることが可能である。また、撮像素子駆動回路24は、駆動信号DSを出力するのと同時に、ピクセルクロック信号CK、水平同期信号HD、垂直同期信号VDを出力し、それぞれをCPU22及び映像信号処理回路25に送信することが可能であるとともに、ピクセルクロック信号CKについては、後述する二つのAD変換器30、33にも送信することが可能である。
As shown in FIG. 2, the
また、映像信号処理回路25は、撮像素子13と接続されていて、撮像素子13から入力される画素ごとの信号である光電変換出力POを、一般的なNTSC信号等のビデオ信号VSとして出力することが可能である。出力されたビデオ信号VSは、後述するフォーカスエリアオーバーレイ回路38を経由してモニタ14に入力され、観察者は、モニタ14に連続して表示される画像によって、被検体を観察することができる。また、映像信号処理回路25は、輝度検出手段として、撮像素子13から入力された光電変換出力POに基づいて、ビデオ信号VSの内の輝度部分のみに相当する輝度信号BSを出力することが可能である。出力された輝度信号BSは、AD変換器30に入力されてAD変換され、CPU22に入力されるとともに、コントラスト値検出手段26にも入力されている。
The video
コントラスト値検出手段26は、ハイパスフィルター(HPF)31と、検波回路32とを備えている。ハイパスフィルター31は、映像信号処理回路25と接続されていて、出力された輝度信号BSの内の高周波成分を通過させるもので、例えば、1MHz以上の周波数成分のみを通過させる。また、検波回路32は、ハイパスフィルター31から出力された輝度信号BSの高周波成分の波形について、プラス側の包絡線を示す出力信号であるコントラスト信号CSを出力することができる。図6は、フォーカスが合った状態において、映像信号処理回路25から出力された1H期間(画面の水平線1本に相当する期間)における輝度信号BSの例を示している。図6に示すように、フォーカスが合っている状態での輝度信号BSは、急峻な変化を示す。また、図7は、図6に示す輝度信号BSをハイパスフィルター31で処理した出力を示している。さらに、図8は、図7に示すハイパスフィルター31の出力を検波回路32で処理したコントラスト信号CSを示している。
The contrast value detection means 26 includes a high pass filter (HPF) 31 and a
一方、図9はフォーカスが合っていない状態における輝度信号BSの例を、図10は図9と対応するハイパスフィルター31の出力を、図11は図10と対応するコントラスト信号CSを示している。図9に示すように、フォーカスが合っていない状態では画像がぼやけているため、輝度信号はゆるやかな変化を示す。ここで、フォーカスが合った状態においては取得される画像のコントラストは高くなり、すなわち、図8に示すように、検波回路32から出力されるコントラスト信号CSの振幅は大きくなる。一方、フォーカスが合ってない状態においては取得される画像のコントラストは小さくなり、すなわち、図11に示すように図8と比較してコントラスト信号CSの振幅は相対的に小さくなる。このようなコントラスト信号CSはAD変換器33でAD変換されてCPU22に入力され、CPU22では、このAD変換されたコントラスト信号CSについて、1フィールド毎に、モニタ14に出力される画像内に設定されたフォーカスエリアFA内で加算して平均したものをコントラスト値として算出することができ、コントラスト値に基づいてフォーカスエリアFA内のコントラストの高低、すなわち、フォーカスが最適な状態であるかどうかについて評価することができる。
On the other hand, FIG. 9 shows an example of the luminance signal BS in an out-of-focus state, FIG. 10 shows the output of the high-
また、CPU22には、バス34を介して操作インターフェース35が接続されていて、操作インターフェース35には操作部であるジョイスティック36が接続されている。そして、図12に示すように、ジョイスティック36の操作によって、モニタ14に出力される画像P内において、フォーカスエリアFAの中心位置FA1を自在に調整することができる。ジョイスティック36による操作は、フォーカスエリアFAの中心位置FA1の位置情報としてCPU22に入力されるとともに、操作インターフェース35に接続されたフォーカスエリアオーバーレイ回路38に入力され、ビデオ信号VSによる画像Pとともにモニタ14で表示される。このため、観察者は、ジョイスティック36によって、モニタ14を確認しながら画像上のフォーカスエリアFAの位置を調整することができる。
An
また、CPU22には、バス34を介してROM28及びRAM29が接続されている。ROM28には、後述するオートフォーカス、並びに、被検体の位置及び距離測定を行うためのプログラムが書き込まれている。また、RAM29には、バッファ領域、輝度信号データ、コントラスト値データが定義されていて、CPU22から輝度信号、及び、コントラスト値が入力されて随時書き込みが行われている。また、CPU22は、輝度信号及びコントラスト値に基づいて、画像の変化の有無を判断し、その判断結果に基づいて電磁石駆動回路27を駆動させて、撮像素子13の位置の調整を行う。なお、CPU22による判断及び制御方法の詳細については後述する。
In addition, a
電圧印加手段である電磁石駆動回路27は、撮像素子移動手段16のコイル21に、交流電圧と、大きさを可変とする直流電圧とを重畳的に印加可能なものである。CPU22が上記判断結果に基づいて出力するデジタル信号は、DA変換器37によってDA変換され、電磁石駆動回路27は、このDA変換された信号に基づいて設定された大きさの直流電圧を、所定の周波数及び振幅である交流電圧に重畳させてコイル21に印加する。なお、交流電圧としては、例えば、100kHz程度の周波数のものが印加されている。そして、直流電圧を0Vとした場合、電磁石駆動回路27によって印加される電圧は交流電圧のみとなり、図13に示すように、コイル21に流れる電流は正負対称な正弦波電流となる。このため、コイル21に電流が流れることによって発生する磁界は、大きさを等しくして、その向きを交互に逆転するものとなり、永久磁石である筒体18による磁界との相互作用により、軸体17には、交流電流と同期して光軸L11に沿って向きを交互に逆転させた力が作用することになる。このため、図4に示すように、軸体17は、基端17aが筒体18の中間位置となる位置で、交互に逆転して作用する力が釣り合って静止した状態となる。
The
一方、例えば、直流電圧を正の値で所定の大きさとした場合、電磁石駆動回路27によって印加される電圧は交流電圧に直流電圧が重畳されたものとなる。すなわち、図14に示すように、コイル21に流れる電流は、交流電流を、直流電圧と対応する電流値であるバイアス値+Aだけシフトしたものとなり、正の電流は、負の電流に比べて、電流の絶対値が大きくなり、また、流れている時間が長くなる。このため、図15に示すように、コイル21に正の電流を流した場合における軸体17の基端17aの極性をN極とすれば、筒体18の中間位置に位置する軸体17の基端17aには、筒体18の先端18a側へ向く力よりも基端18b側へ向く力の方が大きく作用し、これにより軸体17は、基端17aが筒体18の中間位置よりも基端18b側に近づいた位置で釣り合って静止した状態となる。また、図16に示すようにバイアス値を−Aとした場合、逆に、軸体17には、筒体18の先端18a側へ向く力が大きく作用し、これにより図17に示すように、軸体17は、基端17aが筒体18の中間位置よりも先端18a側に近づいた位置で釣り合って静止した状態となる。なお、各々の状態において、軸体17に作用する力の向きは交流電流の周期に応じて交互に逆転するが、交流電流の周期は例えば100kHzの高周波であることから、力の向きの変化によって軸体17がガイド20に沿って機械的に振動してしまうことは無く、このため、撮像素子13を所定の位置で静止した状態に保つことができる。
On the other hand, for example, when the DC voltage has a positive value and a predetermined magnitude, the voltage applied by the
図18は、軸体17の基端17aの位置とバイアス値との関係を示している。なお、図18において、バイアス値A1〜A5、及び、撮像素子の位置B1〜B5は、後述するフォーカス調整例における各バイアス値及び対応する各撮像素子の位置を示している。図18に示すように、バイアス値を変化させることで、その符号及び大きさにより、軸体17の基端17aの位置、すなわち撮像素子13の位置を制御することが可能である。一方、バイアス値の絶対値を一定以上大きくすると、交流電流の振幅、筒体18が配設された光軸L11方向の範囲によって、撮像素子13の位置は変化しなくなる。
FIG. 18 shows the relationship between the position of the
ここで、図19に示すように、本実施形態のように内視鏡装置1に使用される撮像装置10の対物レンズ11としては、対物レンズ11の主点11aから焦点11bまでの距離(以下、焦点距離f)が2mm程度のものが選択される。また、対物レンズ11の焦点距離fと、対物レンズ11の主点11aから撮像素子13の受光面13aまでの離間距離Lと、対物レンズ11の主点11aから被検体Sまでの光軸L11方向の距離Zとの間には、以下の<数4>に示す関係がある。
Here, as shown in FIG. 19, as the
内視鏡装置1は、挿入部2を空洞内などの狭窄部に挿入してその内部に位置する被検体Sを観察するものであるため、対物レンズ11の主点11aから観察対象となる被検体Sまでの距離Zとしては、5mmから500mm程度である。例えば、焦点距離f=2mmとして、被検体Sまでの距離Z=5mmならば、撮像素子13の離間距離は、L=3.333mmである。また、被検体Sまでの距離Z=500mmならば、撮像素子13の離間距離は、L=2.008mmである。すなわち、被検体Sに対して、撮像素子13の位置をフォーカスを合わせた状態であるフォーカス位置にするには、<数4>から、対物レンズ11の主点11aを基準としてL=2〜4mm程度とすれば良く、2mm程度の可動範囲で調整可能であれば良い。このため、筒体18の長さを、軸体17が2mm程度の範囲で可動可能な長さに設定すれば、バイアス値を指定して撮像素子13の位置をフォーカスの合った状態に調整することが可能である。
Since the
次に、CPU22による制御の詳細、並びに、撮像装置10及び内視鏡装置1の作用について説明する。図20及び図21は、CPU22による制御フローを示している。まず、図20に示すように、内視鏡装置1において、撮像装置10の電源をONにして(ステップS1)、挿入部2を先端から被検体に向かって挿入していく。この際、挿入部2の先端の対物レンズ11に入射する光によって、撮像素子13は受像し、光電変換出力POが映像信号処理回路25に入力されていく。そして、映像信号処理回路25から出力されるビデオ信号VSによって、モニタ14に画像が表示される。また、モニタ14に画像が表示されると同時に、そのビデオ信号VSと対応する輝度信号BSと、コントラスト信号CSとがCPU22に入力される(ステップS2)。この際、ピクセルクロック信号CK、水平同期信号HD、及び、垂直同期信号VDがCPU22にも入力されているので、CPU22に入力される輝度信号BS及びコントラスト信号CSは、繰り返し取得されるいずれの画像におけるどの位置の情報なのかが対応付けられている。そして、入力された画像1フィールド分の輝度信号BSと、入力されたコントラスト信号CSから算出されたコントラスト値とは、RAM29のバッファ領域に書き込まれていく(ステップS3)。
Next, details of control by the
次に、CPU22は、前回のフィールドで取得した輝度信号BSをRAM29から抽出し、今回のフィールドで取得した輝度信号BSとの相関値を算出し(ステップS4)、算出された相関値によって今回のフィールドの輝度信号BSと前回のフィールドの輝度信号BSとに相関性があるかどうか判断する(ステップS5)。挿入部2を被検体に向かって挿入している間は、撮像素子13によって受像される画像は絶えず変化しているので、CPU22は、ステップS5において相関性が無いという判断を繰り返し行う。このため、画像が変化している限り、オートフォーカス動作を開始しない。すなわち、フォーカスが最適な状態となっていないまでも略一定の状態であることから、画像が変化してしまうことがなく、観察者は、モニタ14に表示される画像を好適に確認しながら、対物レンズ11が被検体に近い位置となるまで挿入部2を挿入していくことができる。
Next, the
次に、例えば、モニタ14に表示される画像に被検体が確認された場合には、観察者が挿入部2の挿入を停止させることで、撮像素子13で受像される画像に変化が無くなる。このため、図20に示すステップS5において、CPU22は、ステップS4で算出された相関値に基づいて、今回のフィールドで取得された画像の輝度信号BSと、前回のフィールドで取得された画像の輝度信号BSとの間に相関性があると判断する。次に、CPU22は、さらに、RAM29から前々回のフィールドで取得した輝度信号BSを抽出して、前回のフィールドの輝度信号BSとの相関値を算出する(ステップS6)。そして、CPU22は、算出された相関値によって前回のフィールドの輝度信号BSと前々回のフィールドの輝度信号BSとに相関性があるかどうか判断する(ステップS7)。そして、相関性がないと判断した場合、例えば、直前に挿入部2の挿入が停止されて画像の変化が見られなくなった場合には、オートフォーカス動作が開始される(ステップS8)。このため、挿入部2の先端が停止した位置で、フォーカスが調整され、被検体を高解像度の画像で観察することができる。一方、相関性があると判断した場合、例えば、挿入部2の挿入が継続的に停止していて画像の変化が無い場合には、オートフォーカス動作は開始されずにステップS2からの動作を繰り返し行う。このため、挿入部2の挿入を停止させてモニタ14に表示されている画像によって被検体を観察している際に、不必要にオートフォーカス動作が開始されることで、画像の解像度が低下して観察しにくくなってしまうことを防ぐことができる。
Next, for example, when the subject is confirmed in the image displayed on the
次に、オートフォーカス動作の詳細について説明する。すなわち、図20のステップS8においてCPU22がオートフォーカス動作を開始すると判断した場合、図21に示すように、CPU22は、バイアス値の増減量として、RAM29から、予め設定し記憶されている増減量−ΔA1を読み込む(ステップS9)。なお、この段階において、CPU22から出力されている信号に基づいて電磁石駆動回路27が撮像素子移動手段16のコイル21に流している電流値であるバイアス値がA1、バイアス値A1の時の撮像素子13の位置がB1、その時にCPU22に入力されるコントラスト信号CSによって算出されたフォーカスエリアFAにおけるコントラスト値が34であったとする。次に、CPU22は、現在のバイアス値A1に、ステップS9で読み込んだ増減量−ΔA1を加算し、その結果であるバイアス値A2となるように電磁石駆動回路27に信号を入力し、電磁石駆動回路27は、バイアス値A2でコイル21に電流を流す(ステップS10)。このため、図18に示すように、撮像素子13の位置は、バイアス値A2と対応した位置B2に移動する。撮像素子13による撮像は継続して行われ、CPU22には、撮像素子13が位置B2の移動した後のコントラスト信号CSが入力される(ステップS11)。そして、CPU22は、フォーカスエリア内のコントラスト値を算出し(ステップS12)、RAM29に書き込みを行う(ステップS13)。ここで、バイアス値A2(撮像素子13の位置B2)とした時のコントラスト値が25だったとする。
Next, details of the autofocus operation will be described. That is, when the
次に、CPU22は、今回算出されたコントラスト値が前回算出されたコントラスト値よりも大きいかどうか判断する(ステップS14)。今回算出されたコントラスト値が25である一方、前回算出されたコントラスト値が34であるため、コントラスト値が小さくなったとして、現在設定されている増減量−ΔA1を、符号を反転させるとともに絶対値の大きさを半分とした増減量+ΔA2に設定し(ステップ15)、再びステップS10からの動作を行う。そして、増減量+ΔA2を加算したバイアス値A3におけるコントラスト値が40であったとする。この結果からステップS14において、CPU22は、コントラスト値が大きくなったとして、次に、今回のコントラスト値と前回のコントラスト値との差分を算出する。そして、この差分が予め設定された境界値以下となっているか判断し、境界値以下となるまでステップ10からの動作を繰り返し行う。本実施形態において、例えば、境界値を2とする。
Next, the
図18、図22及び図23は、オートフォーカス動作の結果の一例を示している。すなわち、上記のように、撮像素子13の位置がB1(バイアス値A1)の時のコントラスト値が34、撮像素子13の位置がB2(バイアス値A2)の時のコントラスト値が25、さらに、ステップ15を行って撮像素子13の位置B3(バイアス値A3)とした時のコントラスト値が40となっている。そして、コントラスト値の今回と前回との差分が、|40−25|=15で、境界値より大きいことから、同様の増減量Δ+A2を加算して、バイアス値をA4とする。このため、撮像素子13は、バイアス値A4と対応する位置をB4となり、その結果コントラスト値が34で再度前回のコントラスト値よりも小さい値を示すこととなる。
18, 22 and 23 show an example of the result of the autofocus operation. That is, as described above, the contrast value is 34 when the position of the
このため、再度ステップS15において、符号を反転するとともに絶対値の大きさを半分とした増減量に再設定し、これを加算したバイアス値A5となる。そして、撮像素子13はバイアス値A5と対応する位置B5に移動し、コントラスト値は41となる。前回のコントラスト値との差分は、|41−34|=7で、境界値である2よりまだ大きい。よってステップS16での判定はNOである。画像の1フィールドは60分の1秒のような短い時間であるから、ここまでの動作ではまだ1秒の時間は経過しておらず、ステップS18での判定はNOとなり、ステップS10に戻って同様の増減量Δ+A2を加算し、バイアス値A6とする。このため、撮像素子13はバイアス値A6に対応する位置B6となり、コントラスト値は40となる。コントラスト値との差分は、|40−41|=1となり、境界値である2以下を示す。このように、繰り返し撮像素子13の位置を変えてコントラスト値の比較を行うことで、計測されるコントラスト値が理論上の最大値と略等しくなり、すなわち、撮像素子13の位置を、フォーカスが最適な状態となるフォーカス位置に設定することができる。そして、今回のコントラスト値と前回のコントラスト値との差分が境界値以下であった場合には、ステップS16の判断に基づいて、フォーカスが最適の状態となったとして、オートフォーカス動作が完了となる(ステップS17)。
For this reason, in step S15 again, the sign is inverted and the absolute value is reset to an increase / decrease amount halved, and the bias value A5 is added. Then, the
ここで、上記においては、バイアス値を変更する動作を5回行ったが、通常の場合、このような動作を数回から10回ほど繰り返すことでフォーカスを調整することができる。なお、上記において、コントラスト値を算出するのに1フィールド、撮像素子13を移動させるのに1フィールド、計2フィールドで1回の調整が行われたとし、また、モニタ14に映し出される画像は1秒間に60フィールドであったとする。この場合、1秒間に、最大30回の調整を行うことができ、確実に1秒以内にフォーカスを最適な状態にすることができる。
Here, in the above description, the operation for changing the bias value is performed five times. In a normal case, the focus can be adjusted by repeating such an operation several times to ten times. In the above description, it is assumed that one adjustment is performed in two fields, that is, one field for calculating the contrast value, one field for moving the
また、本実施形態では、図21に示すステップS16において、今回のコントラスト値が境界値より大きいと判断した場合には、CPU22は、ステップS10に移行する前にオートフォーカス動作を開始してから1秒以上経過していないかの判断を行う(ステップS18)。そして、1秒以内である場合には、ステップS10に移行して、フォーカスの調整を再度行う。一方、1秒以上経過してしまった場合には、ステップS17に移行して強制的にオートフォーカス動作を完了させる。このため、オートフォーカス動作開始後に挿入部2を移動させて、被検体と対物レンズ11の距離が変化してしまった場合に、際限無くオートフォーカス動作が繰り返されてしまうことを防ぐことができる。
In the present embodiment, if it is determined in step S16 shown in FIG. 21 that the current contrast value is larger than the boundary value, the
次に、制御ユニット15のCPU22によって画像として表示される被検体の三次元座標の測定方法、及び、点間距離の測定方法について説明する。ROM28には、<数4>に示す関係に基づいて、以下の<数5>、<数6>、及び、<数7>に示す算出式に従って計算するプログラムが記憶されている。そして、CPU22は、これらの数式によって、対物レンズ11の主点11aを原点として被検体の所定位置の実際の3次元座標(X、Y、Z)を算出することが可能である。ここで、符号fは、対物レンズ11の焦点距離、符号Lは、上記のオートフォーカス動作によってフォーカスが最適な状態となった時の対物レンズ11の主点11aから撮像素子13の受像面13aまでの離間距離を示している(図19参照)。また、図24に示すように、モニタ14に表示される画像P上において直交する2軸x軸及びy軸が定義されていて、符号Mx、Myは、画像Pの中心P1を原点として、指定されたフォーカスエリアFAの中心位置FA1の二次元座標を示している。また、符号Zは、対物レンズ11の主点11aを原点とする光軸L11方向の座標、符号X、Yは、それぞれ、対物レンズ11の主点11aを原点とし、画像P上のx軸及びy軸と対応する方向の座標を示している。
Next, a method for measuring the three-dimensional coordinates of the subject displayed as an image by the
すなわち、観察者が、ジョイスティック36を操作して、モニタ14に表示される画像P上において、被検体Sの一点であるS1を、フォーカスエリアFAの中心位置FA1として指定したとすると、CPU22は、図21に示すオートフォーカス動作を開始して、フォーカスを最適な状態とする。そして、CPU22は、この時の撮像素子13の位置において、対物レンズ11の主点11aから撮像素子13の受像面13aまでの離間距離Lを測定する。離間距離Lは、前記オートフォーカス動作の完了時における撮像素子13の位置B6を用い、本内視鏡の構造に基づく固定寸法を加減することにより得ることができる。さらに、画像P上において、二次元座標Mx、Myを算出する。そして、CPU22は、ROM28に記憶された<数5>、<数6>、及び、<数7>に、焦点距離f、離間距離L、及び、二次元座標Mx、Myを入力することで、被検体Sの点S1の対物レンズ11の主点11aを原点とした三次元座標(X、Y、Z)を算出することができる。観察者が、さらに次の一点S2を指定した場合、点S2についても三次元座標(X、Y、Z)を算出し、さらには、これらの三次元座標(X、Y、Z)の算出結果により、二点S1、S2の点間距離を算出することができる。同様にして、図25に示すように、複数点を指定、例えば、点S3、S4、S5、S6の計4点を連続して指定した場合には、各々について三次元座標(X、Y、Z)を算出し、これにより、点S3から点S4、S5を経由して点S6までの経路の延長を測定することも可能である。
That is, if the observer operates the
以上のように、本実施形態の撮像装置10及び撮像装置10を備えた内視鏡装置1によれば、撮像素子13で取得される画像の輝度信号に基づいて、定量的に画像の変化を判断し、画像の変化が無い場合にのみ、オートフォーカス動作を開始させることができる。このため、挿入部2を移動させる場合など、被検体と対物レンズ11との距離が変化している場合は、フォーカスが最適な状態ではないものの、安定した状態で、好適に、被検体を探し、あるいは、対物レンズ11と被検体との距離を調整することができる。そして、画像の変化が無い時にはフォーカスを最適な状態に調整することができるので、所望の被検体を高解像度の画像で好適に観察することができる。また、本実施形態では、フォーカスエリアFAの中心位置FA1をジョイスティック36で自在に調整することで、画像内における所望の位置においてフォーカスが最適な状態となるように調整できるので、被検体をより好適に観察することができる。
As described above, according to the
また、上記のオートフォーカス動作と、ジョイスティック36によるフォーカスエリアFAの中心位置FA1の指定によって、被検体Sの実際の三次元座標、及び、点間距離を測定することができる。このため、被検体を高解像度の画像で詳細に観察できるだけでなく、定量的な評価を行うこともできる。
Further, the actual three-dimensional coordinates and the point-to-point distance of the subject S can be measured by the above autofocus operation and the designation of the center position FA1 of the focus area FA by the
なお、撮像素子移動手段16において、軸体17を電磁石とし、筒体18を永久磁石としているが、これに限るものでは無く、軸体17を永久磁石とし、筒体18を電磁石とする構成としても良い。また、撮像素子移動手段16は、電磁石と永久磁石との磁界の相互作用によるものとしたが、これに限るものでは無い。例えば、撮像素子移動手段として、撮像素子を固定した圧電素子を備えるものとしても良い。この場合、圧電素子に印加する電圧を制御することで、圧電素子が変位可能な範囲において、撮像素子を移動させることが可能である。
In the imaging device moving means 16, the
また、本実施形態においては、内視鏡装置1は、挿入部2の先端面に対物レンズ11が設けられた、いわゆる直視型であるが、これに限るものでは無く、挿入部2の側面に対物レンズ11が設けられた側視型としても良い。さらに、撮像装置10は、内視鏡装置1の一構成として説明したが、これに限るものでは無く、他の装置に組み込んで使用することも可能であり、また、単体として使用するものとしても良い。
In the present embodiment, the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
1 内視鏡装置
2 挿入部
10 撮像装置
11 対物レンズ
11a 主点
13 撮像素子
15 制御ユニット
16 撮像素子移動手段
17 軸体
17a 基端
18 筒体
22 CPU(制御部)
25 映像信号処理回路(輝度検出手段)
26 コントラスト値検出手段
27 電磁石駆動回路(電圧印加手段)
36 ジョイスティック(操作部)
f 対物レンズの焦点距離
FA フォーカスエリア
FA1 中心位置
L 離間距離
L11 光軸
Mx、My 画面上の二次元座標
P 画像
P1 中心
X、Y、Z 三次元座標
DESCRIPTION OF
25 Video signal processing circuit (luminance detection means)
26 Contrast value detection means 27 Electromagnet drive circuit (voltage application means)
36 Joystick (operation unit)
f Focal length of objective lens FA Focus area FA1 Center position L Separation distance L11 Optical axis Mx, My Two-dimensional coordinates on screen P Image P1 Center X, Y, Z Three-dimensional coordinates
Claims (9)
該対物レンズの光軸と同軸上に配設され、該対物レンズで集光された入射光を受光して画像を繰り返し取得する撮像素子と、
該撮像素子を、前記対物レンズの前記光軸上で移動させる撮像素子移動手段と、
前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、該画像が前後で変化していない場合には、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置をフォーカス位置となるように調整させる制御ユニットと、
前記撮像素子で取得される前記画像内の一部の範囲としてフォーカスエリアを予め設定し、前記画像内で前記フォーカスエリアの中心位置を調整可能な操作部と、
を備え、
前記制御ユニットは、
前記画像のコントラスト値を検出するコントラスト値検出手段と、
該コントラスト値検出手段で検出される前記画像の前記コントラスト値が最大となる位置に、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を調整させ、前記フォーカスエリア内での前記コントラスト値に基づいて前記撮像素子の位置を調整する制御部と、
を備え、
前記制御ユニットの前記制御部は、前記操作部によって前記フォーカスエリアが指定された場合、前記コントラスト値が最大となった時の前記撮像素子の位置及び前記画像上における前記フォーカスエリアの前記中心位置を計測して、計測された前記撮像素子の位置及び前記画面上における前記フォーカスエリアの前記中心位置に基づいて、該フォーカスエリアの前記中心位置として指定された実際の三次元座標を算出可能であり、
前記制御ユニットは、今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により今回取得された前記画像の前回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、該画像が前後で変化していない場合には、さらに、前回取得された前記画像と前々回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により前回取得された前記画像の前々回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、前々回の該画像との比較では該画像が変化している場合に、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を前記フォーカス位置となるように調整させる
ことを特徴とする撮像装置。 An objective lens;
An image sensor that is disposed coaxially with the optical axis of the objective lens, receives incident light collected by the objective lens, and repeatedly acquires images;
An image sensor moving means for moving the image sensor on the optical axis of the objective lens;
When the image acquired this time with the image sensor is compared with the image acquired last time and the image has not changed before and after, the position of the image sensor is changed to the focus position by the image sensor moving means. a control unit for adjusting so that,
A focus area is preset as a partial range in the image acquired by the image sensor, and an operation unit capable of adjusting a center position of the focus area in the image;
Equipped with a,
The control unit is
Contrast value detecting means for detecting a contrast value of the image;
The position of the image sensor is adjusted by the image sensor moving means to a position where the contrast value of the image detected by the contrast value detecting means is maximized, and based on the contrast value in the focus area A control unit for adjusting the position of the image sensor;
With
When the focus area is designated by the operation unit, the control unit of the control unit determines the position of the imaging element when the contrast value is maximized and the center position of the focus area on the image. Based on the measured position of the image sensor and the center position of the focus area on the screen, the actual three-dimensional coordinates designated as the center position of the focus area can be calculated.
The control unit compares the image acquired this time with the image acquired last time, and determines whether there is a change from the image acquired last time of the image acquired this time based on a luminance signal in each image If the image has not changed before and after, the image acquired last time is compared with the image acquired last time, and the image acquired last time by the luminance signal in each image is compared. The presence / absence of a change from the acquired image is determined, and when the image has changed in comparison with the previous image, the position of the image pickup device is set to the focus position by the image pickup device moving means. To adjust
An imaging apparatus characterized by that .
前記制御ユニットは、前記画像の輝度を検出する輝度検出手段と、
該輝度検出手段で検出される前記画像の前記輝度に相関性を有するかどうかに基づいて前記画像の変化の有無を判断して、前記撮像素子移動手段によって前記撮像素子の位置を調整する制御部とを備えることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1 ,
The control unit includes luminance detection means for detecting the luminance of the image;
A control unit that determines whether or not the image has changed based on whether or not the luminance of the image detected by the luminance detection unit has a correlation, and adjusts the position of the imaging element by the imaging element moving unit An imaging apparatus comprising:
前記制御ユニットの前記制御部は、前記撮像素子の位置の前記対物レンズの主点からの離間距離L、及び、前記フォーカスエリアの前記中心位置の該画像の中心位置を原点とした前記画像上における二次元座標Mx、Myを計測して、前記対物レンズの前記主点を原点とする指定された前記フォーカスエリアの前記中心位置の前記三次元座標X、Y、Zを、<数1>、<数2>、及び、<数3>に示す計算式(但し、符号fは前記対物レンズの焦点距離)から算出可能であることを特徴とする撮像装置。
The control unit of the control unit is arranged on the image with the distance L from the principal point of the objective lens at the position of the imaging element and the center position of the image at the center position of the focus area as the origin. Two-dimensional coordinates Mx, My are measured, and the three-dimensional coordinates X, Y, Z of the center position of the designated focus area with the principal point of the objective lens as the origin are expressed as <Equation 1>, < An image pickup apparatus that can be calculated from the calculation formulas (2) and (3), where the symbol f is the focal length of the objective lens.
前記操作部は、前記撮像素子で取得される前記画像内で、前記フォーカスエリアの前記中心位置を複数指定可能であり、
前記制御ユニットの前記制御部は、算出された各前記フォーカスエリアの前記中心位置の前記三次元座標に基づいて、各該フォーカスエリアの前記中心位置の間の実際の点間距離を算出可能であることを特徴とする撮像装置。 In the imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The operation unit can specify a plurality of the center positions of the focus area in the image acquired by the imaging device,
The control unit of the control unit can calculate an actual point-to-point distance between the center positions of the focus areas based on the calculated three-dimensional coordinates of the center positions of the focus areas. An imaging apparatus characterized by that.
前記撮像素子移動手段は、前記対物レンズの前記光軸と同軸上で進退可能に設けられ、先端に前記撮像素子が配設された軸体と、該軸体の基端側外周に配設された筒体とを備え、前記軸体と前記筒体とのいずれか一方が前記対物レンズの前記光軸と略平行な磁界を形成する永久磁石であるとともに、前記軸体と前記筒体との他方が前記対物レンズの前記光軸と略平行な磁界を形成可能な電磁石であることを特徴とする撮像装置。 In the imaging device according to any one of claims 1 to 4 ,
The image pickup device moving means is provided so as to be able to advance and retreat on the same axis as the optical axis of the objective lens, and is provided on a shaft body in which the image pickup device is disposed at a distal end, and on a base end side outer periphery of the shaft body. A cylindrical body, and either one of the shaft body and the cylindrical body is a permanent magnet that forms a magnetic field substantially parallel to the optical axis of the objective lens, and the shaft body and the cylindrical body The other is an electromagnet capable of forming a magnetic field substantially parallel to the optical axis of the objective lens.
前記制御ユニットは、前記電磁石に、交流電圧と、大きさを可変とする直流電圧とを重畳的に印加可能な電圧印加手段を備えることを特徴とする撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 5 ,
The image pickup apparatus, wherein the control unit includes a voltage applying unit capable of superimposing an AC voltage and a DC voltage having a variable magnitude on the electromagnet.
先端側に該撮像装置の前記対物レンズが設けられ、被検体に挿入可能な挿入部とを備えることを特徴とする内視鏡装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 6 ,
An endoscope apparatus comprising: the objective lens of the imaging apparatus on a distal end side; and an insertion portion that can be inserted into a subject.
前記撮像素子で取得される前記画像の内の一部の範囲として予めフォーカスエリアを設定し、
前記フォーカスエリアの中心位置を前記画像内で調整し、
前記撮像素子で取得される前記画像の、前記フォーカスエリア内でのコントラスト値を検出し、
前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較し、各画像における輝度信号により今回取得された前記画像の前回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、該画像が前後で変化していない場合に、前記撮像素子を前記対物レンズの前記光軸上で移動させて、前記撮像素子の位置をフォーカス位置となるように調整し、
前記撮像素子で今回取得された前記画像と前回取得された前記画像とを比較して、該画像が前後で変化していない場合には、さらに、前回取得された前記画像と前々回取得された前記画像とを比較して、各画像における輝度信号により前回取得された前記画像の前々回取得された前記画像からの変化の有無を判定し、前々回の該画像との比較では該画像が変化している場合に、前記フォーカスエリア内での前記コントラスト値に基づいて前記コントラスト値が最大となる位置を計測して、計測された前記撮像素子の位置及び前記画面上における前記フォーカスエリアの前記中心位置に基づいて、該フォーカスエリアの前記中心位置として指定された実際の三次元座標を算出し、前記撮像素子の位置を前記フォーカス位置となるように調整することにより、前記撮像素子の位置を調整する
ことを特徴とする撮像装置のフォーカス調整方法。 Focus adjustment of an image pickup apparatus including an objective lens and an image pickup element that is arranged so as to be movable back and forth on the same axis as the optical axis of the objective lens and that receives incident light collected by the objective lens and repeatedly acquires an image A method,
A focus area is set in advance as a partial range of the image acquired by the image sensor,
Adjust the center position of the focus area in the image,
Detecting a contrast value in the focus area of the image acquired by the imaging device;
Compare the image acquired this time with the image sensor and the image acquired last time, determine the presence or absence of a change from the previously acquired image of the image acquired this time by the luminance signal in each image, When the image does not change back and forth, the image sensor is moved on the optical axis of the objective lens, and the position of the image sensor is adjusted to be a focus position ,
When the image acquired this time with the imaging device is compared with the image acquired last time, and the image has not changed before and after, the image acquired last time and the image acquired before Compared with the image, the presence or absence of a change from the previously acquired image is determined based on the luminance signal in each image, and the image has changed in comparison with the previous image. In this case, the position where the contrast value is maximized is measured based on the contrast value in the focus area, and based on the measured position of the imaging element and the center position of the focus area on the screen. The actual three-dimensional coordinates designated as the center position of the focus area are calculated, and the position of the image sensor is adjusted to be the focus position. And a focus adjusting method of an imaging apparatus according to claim <br/> adjusting the position of the imaging element.
前記撮像素子で繰り返し取得される各前記画像の輝度を検出し、前記画像の前記輝度に相関性を有するかどうかに基づいて前記画像の変化の有無を判断して、前記撮像素子の位置を調整することを特徴とする撮像装置のフォーカス調整方法。 The focus adjustment method for an imaging apparatus according to claim 8,
The brightness of each image repeatedly acquired by the image sensor is detected, and the position of the image sensor is adjusted by determining whether or not the image has changed based on whether the brightness of the image has a correlation. A focus adjustment method for an image pickup apparatus.
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